Пылевая плазма намекает на молекулу жизни

Учёные готовятся встретить жизнь в недрах Солнца. Учёные собираются найти генетический код в полярных сияниях. Учёные ищут разум в газопылевых дисках. Учёные вот-вот найдут гены у люминесцентной лампочки. Что это?

 

 

Скажете, заголовки "жёлтых" газет? Ничего подобного! В самом деле, этими необычными утверждениями могут скоро запестреть научные журналы. Конечно, если подтвердится одно недавнее открытие.

Обычная плазма — это ионизированный газ, который является квазинейтральным. Иначе говоря, плазма представляет собой "набор" из ионов и электронов. Их электрический заряд в сумме нейтрален, поэтому плазма не заряжена. Она имеет необычные свойства, взаимодействует с внешними магнитными полями и является проводящей средой.

Плазму называет четвёртым состоянием вещества — помимо твёрдого, жидкого и газообразного. На первый взгляд, плазма — это что-то редкое и экзотическое, однако это неверное представление. По некоторым оценкам, из неё состоит до 99% Вселенной, так как она составляет основную часть галактик, звёзд, межзвёздного газа.

Но некоторых физиков интересует не столько обычная плазма, сколько более сложный случай — так называемая пылевая плазма.

Лабораторный снимок пылевой плазмы. Здесь от неё исходит голубоватое свечение, а красный луч — это лазер, в котором хорошо заметны пылевые частицы (фото с сайта mpe.mpg.de).

Пылевая плазма отличается от "просто плазмы" наличием пылинок — крошечных частиц диаметром от 10 до 100 нанометров. Впервые пылевую плазму в лабораторных условиях в 1920-х годах наблюдал Ирвинг Лэнгмюр (Irving Langmuir), нобелевский лауреат по химии, который собственно и предложил ввести в научный обиход слово "плазма".

Но с тех пор плазма с пылью внутри практически никого не интересовала. Только самую малость она привлекала астрономов, ведь космическую плазму засоряют самые разные частицы: от звёздной пыли до тех, что входят в состав колец Сатурна.

	Снимок кристаллизации настоящей пылевой плазмы. Показан участок шириной около 4 сантиметров (фото с сайта mpe.mpg.de).

Тяга к пылевой плазме у учёных снова возникла в середине 1980-х годов в связи с развитием технологий создания микросхем. Одним из важных условий разработки в ряде производственных процессов была герметичность — точнее, полное ограничение доступа пыли к заготовке. Это было связано с тем, что в определённых случаях попадание микрочастиц приводило к порче чипа.

Однако оказалось, что при создании микросхем посредством плазменного травления — метода, использующего поток плазмы для распыления подложки — от пыли избавиться очень трудно. Экспериментаторы винили в этом пыль, попадавшую снаружи в камеру, где происходит травление. Когда же они стали прикладывать больше усилий для очистки внешнего помещения, это не особенно помогло.

Долгое время никто не мог понять — в чём дело, пока внутрь камеры не направили луч лазера и не увидели, что пыль возникает в результате самого процесса травления и попадает в плазму. При этом частицы со временем в ней слипаются, и вместо нанометровых размеров они приобретают микрометровые масштабы. А это уже губительно для микроустройств.

С тех пор учёные уделяют более пристальное внимание пылевой плазме и сгущению пылинок в ней. Этот процесс называют плазменной кристаллизацией, а сами такие частицы — плазменными кристаллами.

Большинство опытов по исследованию пылевой плазмы проводится в земных лабораторных условиях. Уникальным исключением является эксперимент "Плазменный кристалл" (Das Plasmakristall-Experiment), уже много лет проводящийся на Международной космической станции. Автор концепции эксперимента — Грегор Морфилль (Gregor E. Morfill), профессор Института внеземной физики Макса Планка (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik).

Обычно в лаборатории плазменные кристаллы представляют собой группу частиц, равномерным образом распределённых в пространстве. Но на этот раз Морфилль решил смоделировать поведение этих частиц с помощью компьютера. В результате такого эксперимента условия были, естественно, идеальными — безо всяких внешних воздействий, в том числе, и без гравитации.

Исследователи группы Морфилля построили модель эволюции пылевого облака в плазме. (a), (b) и (c) — последовательно сменяющие друг друга стадии. Чем "краснее" пылинка, тем меньше её скорость, чем "синее" — тем больше. Если верить этой модели, воспроизводящей идеальные условия, то в стадии (c) пылинки ведут себя как нечто среднее между жидкостью и гексагональной плотноупакованной кристаллической решёткой. Кстати, участники работы предполагают, что в пылевой плазме могут формироваться такие структуры с поликристаллическим порядком (иллюстрация Tsytovich V.N. et al.).

Каково же было удивление Морфилля и его коллег, когда они увидели, что в результате компьютерного моделирования произошло не то, что бывает в реальных условиях! По итогам их опыта оказалось, что плазменная кристаллизация привела не к возникновению регулярно распределённых в пространстве гранул, а к формированию длинных цепочек из пылинок.

Интересно, что эти цепочки сами собой закручиваются в спирали. К тому же, они стабильны и способны к взаимодействию друг с другом. Это довольно-таки странно и, можно сказать, подозрительно, ведь, как заметили исследователи в статье, опубликованной в "Новом журнале физики" (New Journal of Physics), такие особенности обычно характерны для организации живой материи. В частности, для ДНК…

Эти компьютерные структуры, как оказалось, могут эволюционировать со временем, становясь устойчивее. Кроме того, спирали при определённых параметрах плазмы могут притягиваться друг к другу — несмотря на то, что их заряд одинаков. А ещё они способны создавать собственные копии.

Процесс создания копии спирали подразумевает существование промежуточного вихря частиц, который возникает рядом с углублением в одной спирали и создает новое углубление на другой (иллюстрация Tsytovich V.N. et al.).

Ещё интереснее то, что части спиралей могут пребывать в двух устойчивых состояниях с разными диаметрами. А так как на одной спирали может помещаться множество отрезков с разными сечениями, то они, очевидно, могут и передавать таким образом информацию.

Конечно, надо не забывать о том, что такие "ДНК" (их нельзя назвать молекулами, так как в их состав входят не атомы, а более крупные пылевые частички) не могут существовать сами по себе без плазмы. Тем не менее, не исключено, что в ходе дальнейших компьютерных экспериментов они могли бы эволюционировать в более сложные структуры.

Есть над чем задуматься. Ведь пылевая плазма возникает довольно часто в природе, и было бы довольно неожиданно обнаружить молекулы, сравнимые с ДНК, скажем, в каком-нибудь экстравагантном звёздном хвосте. Понятно, что компьютерные условия отличаются от естественных. Но всё же…

Модель взаимодействия двух спиральных плазменных кристаллов. В этом расположении они действительно очень напоминают двойную спираль ДНК (иллюстрация Tsytovich V.N. et al.).

Но всё же непонятно, можно ли это назвать — хотя бы формально — жизнью? Что думают по этому поводу учёные, не участвовашие в работе Морфилля?

Кристофер Маккей (Christopher McKay), астробиолог из NASA, в этом сомневается. "Некоторые люди уверены в том, что жизнь — это самоорганизующаяся система, но то же можно сказать и об урагане, — сказал он. — Эти ребята сделали кое-что посложнее урагана и говорят, что это живой организм. Да, они говорят, что эти спирали могут хранить информацию, что является важной характеристикой жизни. Но их работа разочаровывает тем, что она чисто теоретическая".

Дэвид Грайер (David Grier), физик из университета Нью-Йорка (New York University), высказался по этому поводу более осторожно и более научно: "Называть что-то живым или неживым практически бессмысленно, ибо не существует строгого математического определения жизни".

О том, насколько данные компьютерной модели могут расходиться с реальными, можно судить по этим изображениям. (a) — картина, полученная при воспроизведении расположения частиц в пространстве, (b) — картина, полученная при моделировании в данном исследовании. К слову, одним из естественных препятствий для формирования правильных структур в природной пылевой плазме явлется неравномерность пылевых частиц в отличие от идеальных пылинок, смоделированных компьютером (иллюстрация Tsytovich V.N. et al.).

Похожего мнения придерживается и Сет Шостак (Seth Shostak), старший астроном из института SETI). "Дело в том, что мы не располагаем хорошим определением жизни", — так поясняет он ситуацию. Но он добавил, что если бы пришлось согласиться с тем, что эти компьютерные спирали в плазме можно назвать живыми, то это полностью перевернуло бы представления о жизни.

"Мы всегда полагали, что жизнь — это планетарный феномен, — сказал он. — Но если бы жизнь нашлась в горячих звёздных глубинах или в мезжвёздном газе, то вышло бы, что мы имеем дело не просто с незнакомой нам формой жизни, а, напротив, с самым распространённым во Вселенной её вариантом".

Профессор Грегор Морфилль: "В Солнечной системе пылевая плазма имеется в кольцах планет — таких, как Сатурн или Уран" (фото DLR/esa.int).

Надо только сказать, что сами авторы исследования не очень сильно настаивают на том, что перед ними жизнь.

"Эти сложные самоорганизующиеся структуры в плазме имеют все свойства, необходимые для того, чтобы квалифицировать их как кандидатов на звание неорганической формы жизни", — утверждает участник этого исследования Вадим Цытович, учёный из Института общей физики.

Cам же Морфилль заявил, что затрудняется назвать это жизнью. "Мы опубликовали эту работу не для того, чтобы сказать, что эти структуры могут эволюционировать до живых объектов, а потому, что захотели инициировать дискуссию… По крайней мере, о том, что же именно мы обычно имеем в виду, когда говорим о жизни", — признался учёный.

Кстати, несмотря на это, он вместе с коллегами заявил о том, что собирается провести не только виртуальные, но и реальные лабораторные опыты, в которых попытается воссоздать эти то ли живые, то ли неживые пылевые образования.

Кстати, что имеете в виду вы, когда произносите это слово — жизнь?

Статья получена: Membrana.ru